Kolben für einen Bremssattel einer Scheibenbremse

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Bremssattel einer Scheibenbremse, welcher in Umformprozessen aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem ebenen Blech, hergestellt ist. Der Kolben ist als einseitig offener Topf mit einer Längsachse, einer Wandung und einem Kolbenboden ausgebildet. Ein solcher Kolben ist in einem Zylinder des Bremssattels entlang der Längsrichtung verschiebbar gelagert und kann im Bereich des Kolbenbodens mit einer axialen Anlagefläche an einen Bremsbelag angelegt werden. Wird der Kolben von einem Hydraulikfluid mit Druck beaufschlagt, so verschiebt sich der Kolben in dem Zylinder und presst den Bremsbelag an eine Bremsscheibe. Weiterhin kann der Kolben auch mechanisch mittels einer Antriebsmutter beaufschlagt werden. Dafür ist an einer Innenfläche des Kolbenbodens ein Vorsprung mit einer Konusfläche vorgesehen.

Ein solcher Kolben ist aus der WO 2007/036357 Al bekannt. Dabei ist der Kolben in einer Scheibenbremse elektromechanisch und hydraulisch verschiebbar vorgesehen. Im Falle einer elektromechanischen Betätigung wird eine Antriebsspindel durch einen Elektromotor über ein Getriebe in Rotation versetzt. Ein auf der Spindel vorhandenes Gewinde wirkt dabei mit einer drehfest vorgesehenen Antriebsmutter zusammen, wodurch selbige axial verschoben wird. Die Antriebsmutter legt sich an eine Konusfläche im Kolben an und überträgt so die Verschiebung auf den Kolben und den Bremsbelag. Die Konusfläche ist dabei am übergang zwischen dem Kolbenboden und der Wandung angeordnet, woraus eine Verdickung in diesem Bereich resultiert, welche zu einem verhältnismäßig hohen Gewicht und zu einer schwierigen Herstellung des Kolbens führt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Kolben anzugeben, der die Nachteile des Stands der Technik vermeidet, und dabei insbesondere eine gewichts- und fertigungsoptimierte Konstruktion umfasst.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, indem an einer Außenfläche des Kolbenbodens eine Ausnehmung vorgesehen ist, die im Wesentlichen einen gleichen Abstand von der Längsachse aufweist, wie der Vorsprung an der Innenfläche des Kolbenbodens. Diese vorteilhafte Ausprägung des Kolbenbodens bewirkt, dass die Konusfläche durch eine einfache Umformung des Kolbenbodens erzeugt werden kann, ohne dass eine gewichtserhöhende Materialanhäufung von Nöten ist. Der Vorsprung der Innenfläche ist also zumindest teilweise durch Einformen der Ausnehmung in die Außenfläche gebildet. Dabei wirkt sich die komplementär im Kolbenboden angeordnete Vorsprung und Ausnehmung positiv auf den Kraftfluss bei einer mechanischen Betätigung der Scheibenbremse aus. Insgesamt wird mit der ringförmigen Ausnehmung und mit dem Vorsprung eine formbedingte Versteifung des Kolbenbodens erreicht.

Eine besonders günstige Ausprägung der Erfindung beinhaltet, dass der Kolbenboden im Bereich der Konusfläche abschnittsweise eine im Wesentlichen konstante Wandstärke aufweist. Somit kann die Ausnehmung und der Vorsprung des Kolbenbodens sehr einfach hergestellt werden, da das als Ausgangsmaterial dienende ebene Blech nicht durch Umformungen aufgedickt werden muss. Die Konusfläche auf dem Vorsprung an der Kolbeninnenfläche kann hergestellt werden, indem in den anfänglich noch ebenen Kolbenboden von Außen her die Ausnehmung mittels eines Stempels eingeformt wird,

wodurch auf der Innenfläche des Kolbens der Vorsprung parallel hervortritt. Um eine definiertere Konusfläche an dem Vorsprung zu erhalten, kann zusätzlich zum Stempel beim Einformen der Ausnehmung in die Außenseite an der Innenfläche des Kolbens eine Matrize gegen gehalten werden, die eine Negativform des Vorsprungs und der Konusfläche aufweist .

Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung liegen, dass zwischen dem Vorsprung im Kolbenboden und der Wandung des Kolbens ein Spalt vorhanden ist. Dieser Spalt kann von unterschiedlicher Größe sein, wobei bei Kolben mit kleinem Durchmesser der Spalt eher als Faltung ausgeprägt ist, wogegen bei größeren Kolbendurchmessern ein spaltförmiges Volumen vorhanden ist. Dieser Spalt, oder Faltung, ist ein Merkmal der Erfindung, welches erstmals ermöglicht, dass zur Ausbildung der Konusfläche zur mechanischen Betätigung eines Kolbens eines Bremssattels keine nachteilige Verdickung mehr notwendig ist, wie bisher im Stand der Technik angegeben.

Als weiteres sinnvolles Detail ist im Rahmen der Erfindung anzuführen, dass die Ausnehmung des Kolbenbodens in die Anlagefläche übergeht, und dass die Anlagefläche größer ist als eine Querschnittsfläche an der dünnsten Stelle der Wandung des Kolbens.

Eine nebengeordnete Lösung der Aufgabe der Erfindung führt einen Kolben für einen Bremssattel einer Scheibenbremse an, welcher in Umformprozessen aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem ebenen Blech, hergestellt ist, und als einseitig offener Topf mit einer Längsachse, einer Wandung und einem Kolbenboden einstückig ausgebildet ist, und im Bereich des Kolbenbodens mit einer axialen

Anlagefläche an einen Bremsbelag anlegbar ist, wobei an einer Innenfläche des Kolbens eine Konusfläche vorgesehen ist, und wobei die Konusfläche an einem dünnwandigen Napf vorgesehen ist, der zweistückig mit dem Kolben ausgebildet ist. In alternativer Weise wird hierbei die verdickte Materialanhäufung des Stands der Technik vermieden.

Der Napf kann günstiger Weise ebenfalls wie der Kolbentopf aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem ebenen Blech, hergestellt werden.

Indem der Napf abdichtend mit der Wandung des Kolbens verbunden ist, wird ein geringes Totvolumen des Kolbens erreicht, da nur relativ wenig Hydraulikfluid im Inneren des Kolbens Platz finden kann. Die dichte Verbindung zwischen dem Kolben und dem Napf kann mittels eines Lasers geschweißt sein, jedoch sind auch andere Verbindungsformen denkbar, wie zum Beispiel Reibschweißen. Die Reduzierung des Totvolumens im Kolben, und damit auch im Bremssattel, bewirkt eine Erhöhung der hydraulischen Steifigkeit im Bremssystem, und damit ein verbessertes hydraulisches Verhalten.

Wesentlich für beide Lösungen der Aufgabe der Erfindung ist, dass eine einfache, werkstoffsparende und herstellungsoptimierte Ausprägung der Konusfläche im Kolben dargestellt wird. Unabhängig davon, ob die Konusfläche an dem separaten Napf oder an dem Vorsprung im Kolbenboden dargestellt wird, ist die Konusfläche günstig ausgeprägt, wenn die Konusfläche in Axialrichtung mit der Längsache des

Kobens einen Winkel CC von 30° bis 75° Grad einschließt. In diesem Winkelbereich erfüllt die Konusfläche im Zusammenwirken mit der Antriebsmutter des Bremssattels eine Doppelfunktion als Kupplungs- und Zentriermittel. Besonders

günstig ist es, wenn der Winkel CC im Wesentlichen 60° Grad beträgt .

Zur Funktionserfüllung des Bremssattels bei einer mechanischen Betätigung ist zumindest zwischen der Antriebsmutter und am Kolben eine Verdrehsicherung wirksam angeordnet. Vorzugsweise ist diese als formschlüssige Verdrehsicherung ausgebildet, welche mit einer Antriebsmutter zusammenwirkt.

Eine Ausführung der Verdrehsicherung umfasst, dass die Verdrehsicherung an einem offenen Ende des Kolbens einstückig mit dem Kolben ausgebildet ist. Dazu kann während der Herstellung des Kolbens oder nach der Ausformung des Kolbentopfes der Rand der Wandung an der offenen Seite des Kolbens nach Innen, hin zur Längsachse des Kolbens, umgeformt werden. Dadurch bildet sich eine axiale Stirnfläche aus, in welche eine Kontur eingebracht werden kann. Da an der Antriebsmutter dabei eine komplementäre Kontur vorgesehen ist, sind Kolben und Antriebsmutter über die Kontur in der Stirnfläche formschlüssig bezüglich auf die Längsachse des Kolbens miteinander drehfest verbunden und gegeneinander verdrehgesichert.

Eine andere Ausführung der Verdrehsicherung zwischen Kolben und Antriebsmutter offenbart, die Verdrehsicherung zweistückig mit dem Kolben auszubilden, wobei die Verdrehsicherung am offenen Ende des Kolbens fest mit der Wandung verbunden ist. Insbesondere kann dabei die Verdrehsicherung als ein Einsatzteil ausgebildet sein, welches mit der Wandung des Kolbens verpresst wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Kolbens zusammen mit einer Antriebsmutter und einer Antriebsspindel,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Kolbens aus Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf das offene Ende des Kolben,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Kolbens, und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Einsatzteils gemäß Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein Kolben 1 mit einer Antriebsspindel 23 und einer Antriebsmutter 24 im Längsschnitt dargestellt. Der um eine Längsachse 2 rotationssymetrisch ausgeführte Kolben 1 ist als einseitig offener Topf mit einer Wandung 3 und einem Kolbenboden 11 gestaltet, wobei der Kolbenboden 11 auf der geschlossenen Seite des Kolbens 1 mit einer axialen Anlagefläche 12 an einen nicht dargestellten Bremsbelag anlegbar ist. Die Anlagefläche 12 ist größer als eine Querschnittsfläche 9 an der schwächsten Stelle der Wandung 3. Zudem ist in einer Außenseite 4 der Wandung 3 in der Nähe der Anlagefläche 12 eine umlaufende Nut 6 einrolliert, welche im verbauten Zustand im Bremssattel zur Aufnahme einer nicht dargestellten Kolbenschutzkappe dient. Die Kontur der einrollierten Nut 6 setzt sich durch den gesamten Querschnitt der Wandung 3 fort und verursacht so auf einer Innenseite 5 der Wandung 3 des Kolbens 1 eine Schulter 7.

An einer Innenfläche 13 des Kolbenbodens 11 ist ein Vorsprung 18 mit einer Konusfläche 15 angeordnet, an welche die Antriebsmutter 24 anlegbar ist. Die Konusfläche 15 schließt dabei in axialer Richtung mit der Längsachse 2 vorzugsweise einen Winkel CC von etwa 60° Grad ein, wodurch eine zentrierte und definierte Anlage der Antriebsmutter 24 gewährleistet wird.

Der Kolben 1 und die Antriebsmutter 24 sind bezüglich der Längsachse 2 drehfest miteinander verbunden und in axialer Richtung gegeneinander verschiebbar gehalten. Der Kolben 1 oder die Antriebsmutter 24 werden in nicht dargestellter Weise in dem Bremssattelgehäuse gegen Verdrehen gesichert. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Verdrehsicherung 27 zwischen dem Kolben 1 und der Antriebsmutter 24 derart realisiert, dass an dem offenen Ende des Kolbens 1 eine Stirnfläche 28 mit einer Kontur 29 einstückig vorgesehen ist, welche zusammen mit einer komplementären Kontur auf der Antriebsmutter 24 die formschlüssige Verdrehsicherung 27 bildet.

Bei einer mechanischen Betätigung der Scheibenbremse wird die in der Antriebsmutter 24 angeordnete Antriebsspindel 23 gedreht, zum Beispiel mittels eines Elektromotors mit einem nachgeschalteten Getriebe. Da die Antriebsspindel 23 und die Antriebsmutter 24 mit einem Kugelgewinde 25 versehen sind, wird die Rotationsbewegung der Antriebsspindel 23 über das Kugelgewinde 25 in eine axiale Verschiebung der Antriebsmutter 24 umgewandelt. Diese legt sich mit einer zur Konusfläche 15 komplementären Kegelfläche 26 an den Kolben 1 an und verschiebt diesen.

Anhand Fig. 2 wird mittels einer Vergrößerung die geometrische Ausprägung des übergangsbereichs 10 zwischen Wandung 3 und Kolbenbodenll verdeutlicht. Der Kolbenboden 11 umfasst in seiner Außenfläche 14 eine Ausnehmung 19 und an seiner Innenfläche 13 den Vorsprung 18, die rotationssymetrisch ringförmig um die Längsachse 2 ausgebildet sind. Die Ausnehmung 19 wird durch Umformen von außen in den Kolbenboden 11 eingeformt, wodurch an der Innenfläche 13 des Kolbenbodens 11 der Vorsprung 18 parallel hervortritt. Die Ausnehmung 19 weist im Wesentlichen einen gleichen Abstand A von der Längsachse 2 des Kolbens 1 auf, wie der Vorsprung 18 von der Längsachse 2.

Ausgehend von der Längsachse 2 des Kolbens 1 ist der Kolbenboden 11 durch eine plane, äußere und innere Bodenfläche 16,17 beschrieben, welche beide im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 2 verlaufen. Die äußere Bodenfläche 16 ist im Verhältnis zum axialen Maximalmaß des Kolbens 1 mit einem leichten axialen Versatz V ausgebildet, wodurch dieser Bereich des Kolbens 1 nicht an einen nicht dargestellten Bremsbelag anlegbar ist. Die plane, äußere Bodenfläche 16 geht in die ringförmige Ausnehmung 19 über, die im Längsschnitt eine abgerundet dreiecksförmige Kontur aufweist. Die innere plane Bodenfläche 17 mündet in den ringförmigen Vorsprung 18, der sich im Wesentlichen parallel zur Ausnehmung 19 aus dem Kolbenboden 11 erhebt und dabei die Konusfläche 15 trägt. Dabei ist der Vorsprung 18 derart näher an der Längsachse 2 als die Ausnehmung 19 ausgebildet, dass eine im Wesentlichen konstante Wandstärke S im Kolbenboden 11 ermöglicht wird. Wie auch die Ausnehmung 19, zeigt der Vorsprung 18 eine abgerundet dreiecksförmige Kontur .

Weiterhin ausgehend von der Längsachse 2 bilden sich sowohl die Ausnehmung 19 als auch der Vorsprung 18 in Axialrichtung zurück, wobei die Ausnehmung 19 direkt in die Anlagefläche 12 übergeht. Der Vorsprung 18 an der Innenfläche 13 des Kolbenbodens 11 bildet zusammen mit der Schulter 7 an der Innenseite 5 der Wandung 3 einen faltungsbedingten Spalt 20 aus, der es ermöglicht, ohne eine Verdickung im übergangsbereich 10 die Konusfläche 15 zur Anlage einer Antriebsmutter 24 darzustellen. In Abhängigkeit von der Größe des Kolbendurchmessers fällt der Spalt 20 bei kleinen Durchmessern eher als quasi-volumenfreie Faltung, oder aber bei großen Durchmessern als ein spaltförmiges Volumen aus. Weiterhin kann die dem Kolbenboden 11 zugewandte innere Schulterfläche 8 als Schräge ausgebildet sein.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer nebengeordneten Lösung der Aufgabe der Erfindung dargestellt. Dabei weist der Kolbenboden 11' des Kolbens 1' keinen Vorsprung auf, sondern bildet die Konusfläche 15' zum Anlegen einer Antriebsspindel an einem Napf 21 aus, der zweistückig als eigenes Bauteil im Kolben 1' angeordnet und durch Umformen aus einem ebenen Blech hergestellt ist. Dieser Napf 21 stützt sich axial an dem Kolbenboden 11' ab, und ist abdichtend mit der Wandung 3' des Kolbens 1' verbunden. Dies bewirkt, dass das Totvolumen des Kolbens 1' verringert wird, wobei die dichte Verbindung zwischen dem Napf 21 und der Wandung 3' mittels Laser- oder Reibschweißen umgesetzt ist. Die Konusfläche 15' des Napfs 21 schließt dabei in axialer Richtung mit der Längsachse 2 vorzugsweise einen Winkel CC von etwa 60° Grad ein.

Anhand dieses Ausführungsbeispiels der nebengeordneten Lösung soll auch eine weitere Ausführungsmöglichkeit einer

Verdrehsicherung 27' zwischen der Antriebsmutter und dem Kolben 1' gezeigt werden, die nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll. Dabei ist ein Einsatzteil 22 vorgesehen, welches drehfest mit der Wandung 3' verbunden ist, beispielsweise durch Verpressen. Dieses Einsatzteil 33 trägt die Kontur 29, welche mit einer komplementären Kontur der Antriebsmutter die formschlüssige Verdrehsicherung 27' ausbildet. Die Kontur 29 kann in Form eines abgerundeten Sechsecks dargestellt sein.

Bezugszeichenliste

15 Konusfläche

1 Kolben

15' Konusfläche

1' Kolben

16 Bodenfläche

2 Längsachse

17 Bodenfläche

3 Wandung

18 Vorsprung

3' Wandung

19 Ausnehmung

4 Außenseite

20 Spalt

5 Innenseite

21 Napf

6 Nut

22 Einsatzteil

7 Schulter

23 Antriebsspindel

8 Schulterfläche

24 Antriebsmutter

9 Querschnittsfläche

25 KugeIgewinde

10 übergangsbereichs

26 Kegelfläche

11 Kolbenboden

27 Verdrehsicherung

11' Kolbenboden

27' Verdrehsicherung

12 Anlagefläche

28 Stirnfläche

13 Innenfläche

29 Kontur

14 Außenfläche

A Abstand

S Wandstärke der Wandung

V Versatz

CC Winkel